汾河入黃口建人工表流濕地的必要性和可行性

郝國(guó)蓉 蘇 宸 李曉東 張引栓

（運(yùn)城市水務(wù)局 山西運(yùn)城 044000）

1 汾河運(yùn)城段河道概況

汾河發(fā)源于寧武縣管涔山，在萬(wàn)榮縣廟前村匯入黃河，干流長(zhǎng)716 km。運(yùn)城段位于汾河下游，流經(jīng)新絳、稷山、河津、萬(wàn)榮4縣（市），境內(nèi)河長(zhǎng)129.1 km，區(qū)段流域面積2 943 km2。

該河段共涉及14個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦），141個(gè)村莊，32.7萬(wàn)人口，河谷內(nèi)灘地面積約25 333 hm2。萬(wàn)榮段位于運(yùn)城段最下游，北起裴莊鄉(xiāng)遠(yuǎn)停村，南至榮河鎮(zhèn)廟前村，長(zhǎng)29 km，區(qū)段流域面積532.4 km2，河堤內(nèi)灘地面積1 240 hm2。目前該段河道為季節(jié)性河道，2017年底前水質(zhì)為劣V類(lèi)。

2 修建濕地的必要性分析

2.1 水功能區(qū)劃

根據(jù)《山西省水功能區(qū)劃》，汾河運(yùn)城段分三個(gè)功能區(qū)，從南梁至稷山，長(zhǎng)54.5 km，屬農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)Ⅴ類(lèi)；從稷山至新店，長(zhǎng)8.0 km，屬稷山排污控制區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)Ⅴ類(lèi)；從新店至入黃口，長(zhǎng)66.6 km，屬河津緩沖區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)Ⅳ類(lèi)。

2.2 污水達(dá)標(biāo)整治

河段內(nèi)各級(jí)政府為了改善水質(zhì)，要求沿河企業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)村污水處理廠（站）提標(biāo)改造，入河排污口執(zhí)行相應(yīng)水功能區(qū)水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。山西省人民政府2010年《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)水污染防治工作的通知》中明確規(guī)定:“2011年起，直接向重點(diǎn)流域河道排放工業(yè)廢水的企業(yè)，執(zhí)行相應(yīng)河段地表水功能水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)?！边\(yùn)城市政府2017年也出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)汾河涑水河沿線(xiàn)污水排放管理的通知》，要求所有直接向汾河河道排放污水的企業(yè)，從2018年6月開(kāi)始，執(zhí)行地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；要求進(jìn)一步提高城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)建設(shè)深度處理設(shè)施，確保入河水質(zhì)要達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)；要求修建農(nóng)村污水處理站，確保入河水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汾河運(yùn)城段入河排污口共34處，主要集中在新絳、稷山、河津3個(gè)縣城附近。2017年以來(lái)，封堵違規(guī)排污口14處，保留經(jīng)提標(biāo)改造、污水處理的排污口20處（新絳煤化園污水處理廠、東環(huán)路污水站、新紡污水站、橋南路污水站、縣污水處理廠、澮河7個(gè)農(nóng)村污水處理站，稷山縣污水處理廠，河津曙光集團(tuán)、陽(yáng)光華泰、縣污水處理廠，方圓膠業(yè)、匯源果汁、中魯果汁、萬(wàn)榮污水處理廠），經(jīng)整治，2018年底入河水質(zhì)基本達(dá)到地表Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 修建濕地必要性

枯水期流量是維持河道自?xún)裟芰臀廴疚锵♂屇芰Φ臎Q定因素。汾河運(yùn)城段地處下游，枯水期時(shí)常干涸，成為季節(jié)性河道。通過(guò)分析汾河百底水文站1988—2016年最枯月平均流量資料:最近10年，最枯月平均流量均值為2.30 m3/s，最小值為0，經(jīng)頻率計(jì)算，P=90%最枯月平均流量為0.03 m3/s?？梢?jiàn)，該段河道既無(wú)自?xún)裟芰τ譄o(wú)污染物稀釋能力，已喪失河道生態(tài)功能。另外，近10年來(lái)從萬(wàn)家寨向汾河上游調(diào)水，年調(diào)水量1.5億m3，但限于目前的管理水平，沿途提引失控，運(yùn)城段時(shí)常斷流。所以即使新店以上河道達(dá)到Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，靠河道的自我修復(fù)能力無(wú)法把新店以下河道水質(zhì)提高到Ⅳ類(lèi)，完全有必要在汾河入黃口段修建人工濕地，以達(dá)到水功能區(qū)劃要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 人工濕地可行性分析

汾河入黃河口人工濕地工程，擬選定在汾河萬(wàn)榮段西范揚(yáng)水站以下至入黃口21 km河段防洪堤范圍內(nèi)，占地面積973.3 hm2。建設(shè)表流人工濕地903.9 hm2，修建生態(tài)塘2處，設(shè)置液壓升降壩、閘門(mén)、引水明渠、隔水土埂等，并配套布水設(shè)施及自動(dòng)控制設(shè)施?？偼顿Y5.55億元。分兩期建設(shè)，一期完成右側(cè)濕地，面積518.9 hm2；二期完成左側(cè)濕地，面積 385.0 hm2。如圖1。

圖1 人工濕地總體布置示意圖

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

3.1.1 生態(tài)基流

統(tǒng)計(jì)汾河百底水文站1988-2016年逐日平均流量，計(jì)算多年平均流量為16.44 m3/s。生態(tài)基流計(jì)算方法較多，可分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和地形結(jié)構(gòu)法等。其中水文學(xué)法和水力學(xué)法比較常用。而Tennant法屬于水文學(xué)計(jì)算法的一種，即將河流多年平均流量的10%～30%作為生態(tài)基流。由于汾河為北方季節(jié)性河流，生態(tài)基流宜取低值，故本濕地按多年日平均流量的10%確定生態(tài)基流為1.64 m3/s。

3.1.2 設(shè)計(jì)流量

由于汾河河道來(lái)水量和污染物濃度變化均較大，在污染物排放總量不變的情況下，河道流量越小污染物濃度越大，據(jù)監(jiān)測(cè)資料，污染物濃度超標(biāo)都是在枯水季節(jié)，考慮濕地功能的充分發(fā)揮與濕地動(dòng)物植物等生態(tài)系統(tǒng)的需要，以多年平均流量的75%作為濕地的基礎(chǔ)河水流量，為12.33 m3/s。再扣除生態(tài)基流1.64 m3/s和滲漏水量 0.23 m3/s，濕地設(shè)計(jì)流量為10.46 m3/s。

3.1.3 濕地面積確定

人工濕地主要有表流濕地和潛流濕地兩種，考慮汾河來(lái)水含沙量較大，濕地又在堤防之內(nèi)，河水漫灘后易造成潛流濕地堵塞，無(wú)法正常運(yùn)行，因此，采用表流人工濕地。根據(jù)《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》（DGTJ08-2100-2012），表流人工濕地水力負(fù)荷為0.1 m3/（m2·d），按濕地設(shè)計(jì)流量計(jì)算，需要濕地面積903.9 hm2。

3.2 布置方案

該濕地是通過(guò)抬高河道水位，自流進(jìn)入主槽兩側(cè)灘地生態(tài)塘，進(jìn)行預(yù)處理，再引入濕地對(duì)污染物進(jìn)行生物降解。

系統(tǒng)采用生態(tài)塘和表面流濕地串聯(lián)的形式，表面流濕地由引水渠和集水渠上下游銜接。在距離西范揚(yáng)水站1.4 km處主槽新建液壓升降壩，將水位抬高50 cm，利用回水進(jìn)行初次沉沙，后水流溢入生態(tài)塘，布設(shè)植物、動(dòng)物等形成生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行二次沉沙與預(yù)處理。左右兩側(cè)新建土埂30.5 km，防止河道內(nèi)洪水進(jìn)入濕地。新建閘門(mén)7座控制濕地進(jìn)出水；在左右兩側(cè)分別布置明渠進(jìn)行引水和退水，明渠總長(zhǎng)63.7 km，并建設(shè)相應(yīng)管道、電閘門(mén)等配套設(shè)施實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。水流經(jīng)過(guò)濕地處理后匯入退水明渠，最終通過(guò)河道下游設(shè)置的閘閥排入河道。

3.3 植物比選

濕地植物的選擇主要依據(jù)如下幾個(gè)原則:1）生態(tài)的可接受性，所選用的植物不是有害雜草，對(duì)周邊自然環(huán)境生態(tài)遺傳的整體性不構(gòu)成危害；2）能適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及濕地水深設(shè)計(jì)要求，具有一定的抗病蟲(chóng)害能力；3）對(duì)污染物和水生態(tài)環(huán)境忍耐度高；4）速生、易繁殖、凈化能力強(qiáng)等。

為此，主要選擇菖蒲、慈姑、蓮藕、觀賞蓮、毛茛、狐尾藻等植物。菖蒲對(duì)總磷、總氮、游離態(tài)氨、濁度以及COD的凈化效果最佳，去除率分別可達(dá)99.7%、85.8%、99.5%、99.3%和83.2%；慈姑可有效減少水體中氮、磷含量，對(duì)其耐受力很強(qiáng)，氮、COD去除率達(dá)46.3%、60%以上；蓮藕對(duì)COD、BOD、懸浮物、游離態(tài)氨、總磷、重金屬等凈化效果顯著；觀賞蓮可在黑臭河水中生長(zhǎng)良好，對(duì)總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、COD處理效果較好；毛茛對(duì)水中氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)也有很好的修復(fù)效果，在較長(zhǎng)水力停留時(shí)間下，氮的去除率達(dá)89.6%；狐尾藻適應(yīng)性較強(qiáng)，生物量積累較快，在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠通過(guò)根系吸收和根際環(huán)境的改變使沉積物和間隙水中的氮磷含量明顯下降。根據(jù)以上植物對(duì)流速大小、水深淺，以及冬夏溫差等適應(yīng)性，取長(zhǎng)補(bǔ)短，合理配置濕地內(nèi)植物的植比結(jié)構(gòu)。

3.4 濕地水質(zhì)凈化效果

人工濕地利用其生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，通過(guò)吸附、過(guò)濾、植物吸收以及微生物降解等作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物降解和水質(zhì)凈化。本濕地凈化效果采用濕地污染物降解一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（k-C*模型），計(jì)算如下式:

其中:C0—出水濃度，mg/L；Ci—進(jìn)水濃度，mg/L；C*—目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境背景值，mg/L；K—一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，m/a；Q—進(jìn)水流量，m3/d；A—濕地面積，hm2。

設(shè)計(jì)來(lái)水水質(zhì)為V類(lèi)水時(shí)，經(jīng)濕地處理出水COD濃度為:

由此計(jì)算去除率為56%。

設(shè)計(jì)來(lái)水水質(zhì)為V類(lèi)水時(shí)，經(jīng)濕地處理出水氨氮濃度為:

由此計(jì)算去除率為35%。出水水質(zhì)達(dá)到IV類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足水功能區(qū)劃要求。

參考《人工濕地污水處理技術(shù)規(guī)范》，COD去除率在50%～60%，氨氮去除率在20%～50%，模型計(jì)算的去除率在規(guī)范的范圍內(nèi)，故結(jié)果是可信的。

此外，該濕地可以調(diào)蓄河道徑流、涵養(yǎng)地下水、改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、保護(hù)生物多樣性，使水生態(tài)環(huán)境進(jìn)入良性循環(huán)。而且本工程兼顧自然觀光、優(yōu)化農(nóng)牧漁業(yè)等功能，將有力促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有重大的生態(tài)效益，和較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出如下結(jié)論:

1）河道水功能區(qū)劃要求汾河新店以下為IV類(lèi)水質(zhì)，高于上游的V類(lèi)，但該段為季節(jié)性河道，無(wú)自?xún)裟芰?，需要修建人工濕地方能滿(mǎn)足要求。

2）充分利21 km長(zhǎng)河灘地形，修建主河槽蓄水、生態(tài)塘、堤內(nèi)表流人工濕地等配套工程，達(dá)到去污目的。

3）以河道多年平均流量75%計(jì)算出濕地基礎(chǔ)河水流量為12.33 m3/s?？鄢鷳B(tài)基流1.64 m3/s和滲漏水量0.28 m3/s，濕地設(shè)計(jì)流量為10.46 m3/s。按表流人工濕地水力負(fù)荷0.1 m3/（m2·d），確定濕地面積為903.9 hm2，建成后將成為國(guó)內(nèi)最大的人工濕地。

4）當(dāng)來(lái)水為地表V類(lèi)時(shí)，COD處理后濃度為17.77 mg/L，去除率56%，氨氮處理后濃度為1.31 mg/L，去除率35%。